預(yù)應(yīng)力技術(shù)在洪藍(lán)船閘閘室底板整體澆筑中的應(yīng)用

張志寧　蘇超　楊一奇

摘 要：軟基上塢式閘室為避免在底板中部上表面的拉應(yīng)力超標(biāo)所產(chǎn)生的混凝土裂縫，多采用“墩底分澆、預(yù)留寬縫、后期封合”的結(jié)構(gòu)措施，這種措施若新老混凝土接觸面處理不好會產(chǎn)生人為裂縫，另外會增加施工處理程序，影響施工速度。本文提出應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)減小拉應(yīng)力、防止閘室底板裂縫，采用瞬變溫度場理論和徐變應(yīng)力理論對洪藍(lán)船閘閘室施工過程進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力參數(shù)，工程應(yīng)用實(shí)踐取得了滿意的研究成果。

關(guān)鍵詞：塢式閘室，底板，預(yù)應(yīng)力，整體澆筑

中圖分類號：U641.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）4-0068-03

軟基上塢式閘室在側(cè)墻自重荷載和回填土邊荷載共同作用下，底板中部上表面會產(chǎn)生較大的橫河向拉應(yīng)力。為了避免由于拉應(yīng)力超標(biāo)而產(chǎn)生底板混凝土裂縫，在上個世紀(jì)90年許多學(xué)者研究采用預(yù)留寬縫的結(jié)構(gòu)形式。傅作新等通過試驗(yàn)和理論研究和現(xiàn)場測試，驗(yàn)證了大型船閘分縫施工方案的可行性，為安全而經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)軟基上的大型船閘提供了成功經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)依據(jù)；周清華等采用Biot固結(jié)理論和鄧肯—張E—μ本構(gòu)模型驗(yàn)證了原型觀測資料得出的結(jié)論；劉曉平等研究比較了土基和巖基上塢式結(jié)構(gòu)船閘閘首或閘室底板預(yù)留寬縫施工方法的效果，對預(yù)留寬縫的施工提出了建議；朱慶華等對寬縫的位置和封鉸時間進(jìn)行多方案的數(shù)值模擬，以寶應(yīng)船閘標(biāo)準(zhǔn)段閘室結(jié)構(gòu)為研究對象，分析土基上船閘結(jié)構(gòu)底板預(yù)留寬縫施工方法的效果，論證了封絞時間及寬縫位置對塢式結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的影響；蘇超等采用粘彈性地基模型分析了閘室底板的分縫效應(yīng)及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特征。在研究過程中也發(fā)現(xiàn)了寬縫的不利影響，陳璐等結(jié)合江蘇省土基上的船閘工程實(shí)例，分析分縫施工的塢式結(jié)構(gòu)底板的受力情況，對底板底層鋼筋保護(hù)層在施工寬縫周圍的防裂問題提出建議。寬縫本身就是人為混凝土結(jié)合面，若施工處理不當(dāng)也會造成混凝土裂縫；本文研究擬通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)減小塢式閘室底板中部上表面的混凝土拉應(yīng)力，達(dá)到底板整體澆筑的目的，避免結(jié)構(gòu)上的人為缺陷，提高船閘施工的效率。

1 工程概況

洪藍(lán)船閘閘址位于秦淮河流域與石臼湖流域分水嶺南側(cè)，船閘級別為Ⅳ級，設(shè)計(jì)最大船舶噸級為500噸，船閘建設(shè)規(guī)模采用180×18×4（m）。考慮防洪要求為50年一遇，堤防等級為二級，水工通航建筑物等級劃分如下：上閘首、下閘首、閘室按2級水工建筑物設(shè)計(jì)；導(dǎo)航墻、靠船墩、護(hù)岸按3級水工建筑物設(shè)計(jì)，臨時工程按4級水工建筑物設(shè)計(jì)。

閘室底板地基水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)有鉆孔資料，土質(zhì)均為全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化砂巖，采用整體式結(jié)構(gòu)和輔助預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，圖1為閘室結(jié)構(gòu)簡圖。

2 計(jì)算方法、計(jì)算參數(shù)和計(jì)算模型

采用瞬變溫度場和徐變應(yīng)力場理論計(jì)算閘室混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力分布，根據(jù)洪藍(lán)船閘的實(shí)際情況和試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算選取參數(shù)如下：

（11）環(huán)境溫度：根據(jù)南京市多年月平均氣溫值，考慮日照等因素的影響等因素，氣溫變化曲線可由下式表示。

由于閘室結(jié)構(gòu)和受力均是對稱，取1/4閘室計(jì)算。有限元計(jì)算模型見圖2，其中模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為：113139，單元數(shù)為：104390。

施工過程模擬如下：

（1）2017.5.30～2017.7.30澆筑底板；

（2）2017.8.15澆筑倒角；

（3）2017.11.15澆筑閘室墻；

（4）2018年4月29日澆筑二期混凝土。

3 閘室結(jié)構(gòu)施工期應(yīng)力分布

采用瞬變溫度場和徐變應(yīng)力場理論計(jì)算閘室混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力分布，圖3給出了閘室底板最大橫河向應(yīng)力分布圖，可見拉應(yīng)力達(dá)1.74MPa，根據(jù)中國水利水電科學(xué)院的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，朱伯芳等給出了混凝土軸向抗拉強(qiáng)度的推薦公式：

4 預(yù)應(yīng)力參數(shù)設(shè)計(jì)

從圖3可以看出，較大的橫河向拉應(yīng)力發(fā)生在底板中間上部區(qū)域，且分布相對均勻，鋼絞線的布置只要均勻分布底板上部區(qū)域即可，圖4給出了底板橫河向預(yù)應(yīng)力布置圖。預(yù)應(yīng)力束采用15.2預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絞線，公稱面積為139.4mm2，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為=1860MPa，張拉控制應(yīng)力考慮=0.65。建議底板處10束，每束采用4根預(yù)應(yīng)力鋼絞線。根據(jù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的發(fā)展時程數(shù)據(jù)分析，底板處預(yù)應(yīng)力在閘室墻澆筑和回填土填筑之前進(jìn)行張拉，張拉力值每束為674 KN，采用單邊張拉方式進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工。

5 預(yù)應(yīng)力施加效果

圖5給出了閘室底板施加預(yù)應(yīng)力后，橫河向閘室應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，底板在施加預(yù)應(yīng)力之后，橫河向的應(yīng)力由沒有施加預(yù)應(yīng)力的1.74MPa降到1.48MPa，可以得出，施加預(yù)應(yīng)力可以顯著降低閘室結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力，避免產(chǎn)生溫度裂縫。

6 結(jié)論

通過三維有限元仿真計(jì)算，底板中部存在較大的橫河向拉應(yīng)力，量值達(dá)1.74MPa，存在混凝土發(fā)生裂縫的風(fēng)險；較大的拉應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是閘室墻自重和回填土邊荷載作用。通過施加預(yù)應(yīng)力可以實(shí)現(xiàn)混凝土底板整體澆筑，對防治混凝土底板裂縫效果明顯。仿真計(jì)算方法可以清晰地反應(yīng)閘室內(nèi)混凝土應(yīng)力變化規(guī)律，對預(yù)應(yīng)力錨索的布置、預(yù)應(yīng)力參數(shù)設(shè)計(jì)及張拉程序安排提供了有效的理論分析工具。

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